1、医学分子生物学 Medical Molecular Biology,Modified from 胡维新 教授 （中南大学生物科学与技术学院）by Erguang Li,生命科学的研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。,生命科学的前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学，而分子生物学是生命科学的核心前沿。,生命科学是研究生命现象和生命活动规律的一门综合性学科。,分子生物学从分子水平研究生命现象及其规律的一门新兴学科。它是生命科学中发展最快并且与其他学科广泛交叉和渗透的前沿领域。,由于分子生物学以其崭新的观点和技术对其他学科的全面渗透，
2、推动了细胞生物学、遗传学、发育生物学和神经生物学向分子水平的方向发展，使这些学科已不再是原来的经典学科，而成为生命科学的前沿。,1950年，Astbury在一次讲演中首先使用 “分子生物学”这一术语, 用以说明它是研究生物大分子的化学和物理学结构。,现代分子生物学的建立,DNA的X光衍射照片 1952年5月拍摄,罗沙琳德弗兰克林 （Rosalind Franklin，19201958）英国,DNA双螺旋结构模型的建立,DNA双螺旋结构模型的建立,诺贝尔医学与生理学奖 1962年,Watson JD和Crick FHC的“双螺旋结构模型” 启动了分子生物学及重组DNA技术的发展。确立了核酸作为信
3、息分子的结构基础；提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，最终确定了核酸是遗传的物质基础。,分子生物学技术：,例如：DNA及RNA的印迹转移、核酸分子杂交、基因克隆、基因体外扩增、DNA 测序等，形成了独特的重组DNA技术及其相关技术。,由生物化学、生物物理学、细胞生物学、遗传学、应用微生物学及免疫学等各专业技术的渗透、综合而成，并在此基础上发明和创造了一系列新的技术。,分子克隆 (molecular cloning),重组DNA (recombinant DNA)技术是近代分子生物学技术的核心。,基因操作 (gene manipulation),基因克隆 (gene cloning
4、),基因工程 (gene engineering),分子医学（molecular medicine）：由于分子生物学渗透进入生物学和医学的每一分支领域，全面推动了生命科学和医学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。,遗传性状改变或治疗疾病可能从某一生物体的基因组中分离出某一特定功能基因，导入到另一种生物的基因组。,基因工程和蛋白质工程外源DNA与载体在体外进行连接，或在基因水平上进行有目的的定向诱变。生物技术进入了分子水平，基因（或DNA）也进入了社会生产和人们生活的方方面面。,按照自己的意愿和社会需求改造基因，制备各种具有生物活性的大分子。DN
5、A、RNA 和蛋白质成为人类治病、防病的一类新型的生物制品或药物。生物技术在农业上用于快速育种，改良品种，提高农作物的产量、质量以及抗病虫害，抗干旱等能力。,二、分子生物学的研究内容,分子生物学的主要研究内容,生物大分子的结构、功能，生物大分子之间的相互作用及其与疾病发生、发展的关系。,核酸的分子生物学主要研究核酸的结构及其功能。核酸的主要作用是携带和传递遗传信息，因此形成了分子遗传学。,（一） 核酸分子生物学：,分子遗传学：形成了比较完整的理论体系和研究技术，它是目前分子生物学中内容最丰富、研究最活跃的一个领域。,1. 核酸的发现,早在1868年，Miescher从脓细胞中分离出细胞核，用稀
6、碱抽提再加入酸，得到了一种含氮和磷特别丰富的物质，当时称其为核素（nuclein）。 1872年，他又在鲑鱼精子细胞核中发现了大量的这类物质。由于这类物质都是从细胞核中提取出来的，而且又是酸性，故称其为核酸（nucleic acid）。,Friedeich Miescher,自核酸被发现以来的相当长时期内，对它的生物学功能几乎毫无所知。 1928年(Frederick Griffith)以后，核酸功能研究取得了重大进展。,In 1928, an experiment of Frederick Griffith using pneumonia bacteria and mice,1952年， H
7、ershey AD和 Chase M用 35S和 32p分别标记T2噬菌体的蛋白质和核酸，感染大肠杆菌。在大肠杆菌细胞内增殖的噬菌体中都只含有32P而不含35S, 这表明噬菌体的增殖直接取决于DNA而不是蛋白质。,2. 核酸功能研究的重大进展,1944年，Oswald Avery 等首次证明肺炎双球菌的DNA与其转化和遗传有关。,Hershey A.D. and Chase M. (1952) Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. J Gen Physiol. 36
8、:39-56.,Hershey shared the 1969 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his “discoveries concerning the genetic structure of viruses.”,In 1952, Alfred Hershey and Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”.,In 1952, Alfred Hershey a
9、nd Martha Chase did an experiment which is so significant, it has been nicknamed the “Hershey-Chase Experiment”.,2018/9/20,27,3. DNA复制模型: semi-conservative duplication,Meselson, M. and Stahl, F.W. (1958). “The Replication of DNA in Escherichia coli“. PNAS 44: 67182.,3. DNA复制模型: semi-conservative dup
10、lication,DNA复制模型,1961年，Nirenberg、Ochoa以及Khorana等几组科学家的共同努力，破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，证明DNA分子中的遗传信息是以三联密码的形式贮存。,遗传密码在生物界具有通用性。,4. 中心法则的建立1958年，Crick提出了分子生物学的中心法则（central dogma）。中心法则是分子遗传学基本理论体系。,中心法则The Central Dogma (1953-1956) 是分子生物学的基本框架,DNA,RNA,Protein,Replication 复制,Transcription 转录,Translation 翻译,197
11、0年，Temin和Baltimore从鸡Rous肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)颗粒中发现了以RNA为模板合成DNA的逆转录酶，进一步补充了遗传信息传递的中心法则。Baltimore shared Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1975 with Howard Temin and Renato Dulbecco for discovering reverse transcriptase.,5DNA序列分析技术：,双脱氧末端终止法:1977年，剑桥大学Sanger F等发明。,化学裂解法:美国Maxam I和Gilber
12、t W发明。,对DNA片段的一级结构进行分析，导致一系列重大发现：,4. 从cDNA序列推导出蛋白质的一级结构；,1. 断裂基因(split gene)的发现，证明真核细胞的 基因不是连续的DNA片段；,2. 前体mRNA分子的拼接，去除内含子序列，连接成 成熟mRNA；,3. 发现单基因遗传病的基因结构的变异；,5. 根据DNA序列合成基因，并与载体连接，使之在细 菌中表达，合成活性蛋白质，开创了基因工程。,6. 基因的人工合成1978年体外首次成功地人工合成第一个完整基因。直接证实了Mendel G在1865年发现的遗传因子(基因)的化学本质，就是 DNA分子。DNA分子是多种多样生命现象
13、的物质基础。,7.基因组研究的进展,基因组（genome）: 一个物种遗传信息的总和。基因结构与功能研究已经从单个基因发展到生物体整个基因组。基因组研究已从简单的低等生物到真核生物，从多细胞生物到人类。,1978年:Fiers等测出环状SV40 DNA全部5243bp核苷酸序列；,1980年代:噬菌体DNA全部48502碱基对的序列被测出；一些 小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全 序列也陆续被测定;,1996年底:大肠杆菌基因组DNA的全部序列长4106碱基对；,1996年底:完成了真核生物酵母（Saccharomyces erevisiae）的基因组全序列测定；,1998年底:长
14、达100Mb的线虫的基因组序列测定也已全部完成。 这是第一个完成的多细胞生物体的全基因组序列测定。,人类基因组计划（human genome project, HGP）美国科学家、诺贝尔奖获得者Dulbecco R于1986年在美国 Science 杂志上发表的短文中率先提出，并认为这是加快癌症研究进程的一条有效途径。主要的目标是绘制遗传连锁图、物理图、转录图，并完成人类基因组全部核苷酸序列测定。测出人体细胞中24条染色体上全部30亿对核苷酸的序列，把所有人类基因都明确定位在染色体上，破译人类的全部遗传信息。 HGP是人类自然科学史上与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划相媲美的伟大科学工程。,研
15、究结果表明，人类基因数量仅有3万个左右，比此前估计的要少得多。通过研究还发现男女可能存在巨大遗传差异，男性染色体减数分裂的突变率是女性的两倍。在已经分析的序列中，找到很多与遗传病有关的基因，包括乳腺癌、遗传性耳聋、中风、癫痫症、糖尿病和各种骨骼异常的基因。,8.基因表达调控机制的研究,1961年，Jacob和Monod提出操纵子学说，认识了原核生物基因表达调控的一些规律。,80年代开始，人们逐步认识到真核基因组结构和调控的复杂性。真核基因的顺式调控元件与反式作用因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用。,小分子反义RNA、核酶、siRNA等。,（二）蛋白质分子生物学：,DNA 储存生命活动的各
16、种信息。蛋白质生命活动的执行者。蛋白质的分子生物学主要研究蛋白质的结构与功能。,蛋白质结构与功能的研究进展,1956年，Anfinsen和 White根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的。,1958年，Ingram证明正常的血红蛋白与镰状细胞溶血症病人的血红蛋白之间，在其亚基的肽链上仅有一个氨基酸残基的差别。,1969年，Weber开始应用 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；20世纪60年代先后分析了血红蛋白、核糖核酸酶A等一批蛋白质的一级结构。,中国科学家在1965年人工合成了牛胰岛素； 1973年又用1.8A X射线衍射分析法测定了牛胰岛
17、素的空间结构。,构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其他各种生物学功能，均依赖于外界环境所产生的各种信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号通过第二信使转变成一系列的生物化学变化。,主要研究内容：研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。阐明这些变化的分子机制，明确每一条信号转导途径及参与该途径的所有分子间的相互作用和调节方式。,（三） 细胞信号转导机制研究,1965年又提出第二信使学说。,1977年，Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能，将G蛋白与腺苷环化酶的作用联系起来。,癌基因、抑癌基因和酪氨酸蛋白激酶的发现及其结构与功能的深入研究，使得细胞信号转导的研究有了很大的进展。,19
18、57年，Sutherland发现了cAMP。,三、分子生物学与生物技术,生物技术的定义：,按照美国生物技术产业组织下的定义，生物技术(biotechnology)是指“利用细胞和分子过程来解决问题或制造产品的技术” 。,古代生物技术,酿酒、制醋、制酪、面包发酵；人畜排泄物循环利用；动、植物杂交育种，嫁接等。,20世纪以来，分子生物学的发展，产生了重组DNA技术，推动生物技术深入发展，而导致现代生物技术作为一门交叉学科的产生。转基因细胞、转基因动物和基因剔除动物的出现，是现代分子生物学技术在生物技术领域的应用与发展。,现代生物技术主要包括两个方面：基因工程和蛋白质（酶）工程。应用现代分子生物学、
19、微生物学、细胞生物学、生物化学和生物加工等学科的理论和技术，并相互交叉和渗透。现代生物技术是分子生物学技术在生物加工过程中的应用。,1972年，SV40病毒DNA片段转化大肠杆菌，使本来在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中合成，打破了种属界限，开创了利用基因工程技术在原核细胞中表达真核基因产物的时代。人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的DNA片段与质粒重组，在大肠杆菌中合成得到这种14肽。1978年，人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功。1979年，人工合成的人胰岛素基因经过重组后导入大肠杆菌，在大肠杆菌中合成了人胰岛素。运用基因定向诱变技术和重组DNA技术改造酶或蛋白质的结构，使其具有更高
20、的效能和更好的稳定性，以满足人类社会的需求。,生物技术进展,用转基因动物获取治疗人类疾病的重要蛋白质。如，导入了凝血因子基因的转基因绵羊分泌的乳汁中含有丰富的凝血因子，能有效地用于血友病的治疗。,转基因动物和基因剔除动物,在转基因植物方面取得重大进展，比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产。我国科学家将蛋白酶抑制剂基因转入棉花，获得抗棉铃虫的棉花株。,转基因植物和转基因食品,四、分子生物学与医学,1.从机体表型来认识疾病,即根据现象和检查所获知的症状与体征。 2.从组织细胞的病理、生理变化来分析和诊断疾病。使人类积累了十分丰富的医学资料。但都不能
21、从本质上真正认识疾病发生的根本原因，更不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。,人类对疾病的认识：,现代分子生物学已经对医学的各个领域产生了全面而深刻的影响，并逐步形成了一系列以分子冠名的交叉学科。,如分子遗传学、分子免疫学、分子病理学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子流行病学等。,由于生命本质的高度一致性，使得这些学科可以使用同一套理论、同一套技术，来解释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不同的疾病。,由于分子生物学的发展和渗透，各种生理和病理现象都可能从基因水平找到答案。,肿瘤发生与癌基因和肿瘤抑制基因。,表明生物机体各种各样的生命现象及生理和病理表现，几乎无一不与基因有关。,
22、药物的耐药性与抗药基因。,由于分子生物学在医学上的不断渗透和影响，导致基础医学和临床医学从基因水平来探讨多种多样的生命现象，基因诊断和基因治疗的开展是分子生物学在医学领域中应用的典范。,（一）分子生物学在基础医学中的应用,基础医学是整个医学科学的基石，分子生物学不仅是生命科学的前沿，也是整个基础医学的前沿。今后总的发展趋势仍然是分子生物学向医学，特别是基础医学广泛交叉、渗透和影响。,1.对人的生理功能和疾病机制的研究, 已由整体水平、器官水平进入到细胞和分子水平；对生命的了解，由表面现象观察进入了本质的探讨。,2.基础医学中不断出现新的边缘学科，如分子生理学、分子药理学、分子病理学、分子遗传学
23、、分子免疫学、分子病毒学、分子肿瘤学、分子神经生物学等等。,3.传统上按“形态”和“机能”来进行基础医学各个学科划分的界限已日益模糊,出现了各学科在分子水平上进行整合的趋势。,4.开始改变传统生物学的研究方法和策略，形成了直接从基因水平入手, 研究基因型和表型的相互关系。,（二）分子生物学在病理学中的应用,由于分子生物学向病理学的渗透,出现“分子病理学”这样一个新学科。,分子生物学理论和技术彻底改变了病理学和实验医学的面貌,开始从基因水平来进行疾病诊断。应用于分子病理学的基因检测技术，揭示了疾病发生的分子事件。,（三）基因诊断,由于重组DNA技术的问世,人们对于许多疾病的认识,已经深入到基因水
24、平。一种从基因水平对疾病进行诊断的新技术基因诊断技术得以诞生和发展。,基因诊断：在DNA水平或RNA水平,应用核酸分子杂交技术、限制性内切酶长度多态性（RFLP）连锁分析、PCR技术、DNA序列分析技术以及近年发展起来的DNA芯片技术等,对人类疾病进行诊断。,基因诊断技术核酸分子杂交：,Southern 印迹杂交技术：1975年，Southern EM发明。从生物体的细胞中提取基因组DNA，并从中鉴别出某一特异的核苷酸序列。,Northern印迹杂交技术：1977年Alwine JC等发明。用于样品中某种mRNA分子的定量，分子量大小的测定。原理：RNA分子在变性琼脂糖凝胶中电泳，按分子量大小
25、不同而相互分离，其原理与Southern转移技术的方法类似。,细胞原位杂交技术：1969年，Pardue等建立。,基因诊断技术聚合酶链式反应 (polymerase chain reaction, PCR) ：,1985年，Mullis K首创。体外模拟细胞内DNA复制过程，进行体外基因扩增。,基因诊断技术基因芯片（Gene chips）技术：,基因芯片技术: 将大量探针固定于支持物上，与标记的样品进行杂交。可一次性对样品中大量序列进行检测和分析。解决了传统核酸杂交技术操作繁杂、检测效率低的问题。,通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法，使该技术具有多种不同的应用价值。如基因表达谱分析、基
26、因突变检测、多态性分析、基因诊断等。,叠加图：绿色代表下调；红色代表上调 ；黄色无差异。,正常样品 Cy3标记,待测样品 Cy5标记,叠加,石奕武，胡维新等：多发性骨髓瘤的基因表达谱分析， 湖南医科大学学报，2003，28（3）：201205,基因诊断的其它技术：,DNA序列分析技术（DNA sequencing）；,限制性内切酶长度多态性（RFLP）；,PCR-SSCP等。,在法医学中利用DNA指纹图谱技术进行刑事侦破和亲子鉴定。,临床上对遗传病、传染病及常见疾病（如肿瘤、心血管疾病等）的诊断。,基因分型。,基因诊断是通过直接检测目的基因（或该基因的转录产物）的存在状态对疾病作出诊断的方法。
27、,基因诊断的用途,基因诊断技术不仅用于出生后人群的疾病诊断,而且还应用于产前基因诊断和着床前诊断，这样可大大减少有先天性疾病或携带遗传性疾病基因的胎儿出世，促进优生优育，提高人口素质。,产前基因诊断和着床前诊断,基因诊断技术也为流行病学调查以及食品卫生检验和环境卫生监测等工作开创了崭新的领域, 使诊断技术进入一个新的、更高的水平,从而刷新了医学诊断的面貌。,(四)基因治疗(gene therapy),基因治疗是分子生物学理论与技术的飞速发展给医学带来新的希望和新的治疗手段，开辟了治疗学(therapeutics)的新纪元。基因治疗是临床医学中发展起来的新领域，发展十分迅速。,基因治疗技术的发展
28、与整个医学科学的发展以及许多分子生物学新理论、新技术、新方法的应用密切相关。,临床基因治疗研究已经得到了迅速发展，基因治疗的范围从单基因缺陷遗传病扩大到多基因遗传病（恶性肿瘤、心血管病、免疫性疾病等）以及传染性疾病（如肝炎、艾滋病等）。,狭义基因治疗：目的基因导入靶细胞后与宿主细胞内的基因发生整合、成为宿主基因组的一部分，目的基因表达产物起治疗疾病的作用。,广义基因治疗：包括通过基因转移技术，使目的基因得到表达，封闭、剪切致病基因的mRNA，或自杀基因产物催化药物前体转化为细胞毒性物质，杀死肿瘤细胞，从而达到治疗疾病的目的。,随着人类基因组遗传信息的全部破译和基因功能的澄清，临床医生有可能根据病人的需要，将外源基因导入患病的细胞，替换有缺陷的基因以治疗疾病。在新的世纪，可以预期基因治疗将会有一个更大的发展。,
